LED Licht ist immer weiter auf dem Vormarsch und ersetzt andere Lichtquellen und Leuchtmittel. LED ist nach der Erfindung der Glühbirne wohl die revolutionärste Entdeckung auf dem Lichtmarkt. Auch wir arbeiten bei der Beleuchtung unserer Türklingeln, Hausnummern und attraktiven Außenleuchten mit den fortschrittlichen und energiesparenden LED Leuchtmitteln. Doch, wie funktioniert LED Licht eigentlich und wann wurde es erfunden? Diesen Fragen wollen wir in diesem Blogbeitrag einmal nachgehen und Sie mit der Geschichte und den technologischen Grundlagen der LEDs vertraut machen. Damit es nicht allzu lang wird, reißen wir die Technologie der LED wirklich nur an und widmen der Funktionsweise wahrscheinlich noch einen ganz eigenen Artikel.
Was ist Licht?
Ehe wir tief in die Entwicklung von LED Licht eintauchen, sollten wir uns zunächst einmal vor Augen führen, was eigentlich Licht ist. Licht ist nichts weiter als eine elektromagnetische Strahlung und im engeren Sinne auch nur der kleine sichtbare Teil von elektromagnetischer Strahlung. Es kann durch die Frequenz bzw. Wellenlänge und seine Intensität beschreiben werden. Jede Wellenlänge ergibt dabei einen Farbeindruck. Licht ist für uns sichtbar in einem Farbspektrum, dass wir alle kennen und gern auch mal am Himmel in Form eines faszinierenden Regenbogens bewundern. In Abgrenzung zum Licht sind nicht sichtbare elektromagnetische Strahlungen zum Beispiel die Gamma-Strahlung, die Röntgenstrahlung, die UV-Strahlung oder auch die Infrarot-Strahlung.
Elektromagnetsiche Strahlungen und das sichtbare Farbspektrum Quelle: Peter Hermes Furian/Fotolia
Die Geschichte der LED
Die Geschichte von LED Licht beginnt bereits im Jahr 1876 mit dem Physiker Karl Ferdinand Braun, der das Prinzip der Halbleiter entdeckte. Er entdeckte die besonderen Eigenschaften von Kristallen bei der Stromleitung. Sie leiten nämlich den Strom nur in einer Richtung besonders gut, in die andere dann besonders schlecht bzw. fast gar nicht. Für die Entdeckung dieses Halbleiter-Effekts erhielt er keinen Nobelpreis, denn er revolutionierte zwar die bisherige Sicht auf die Eigenschaften von Stromleiter, die bis dato immer in beide Richtungen erfolgte, doch dass die Kristalle einmal bedeutend für die moderne LED-Technologie sein könnten, ahnte damals noch niemand. Einen Nobelpreis bekam Ferdinand Braun dennoch, und zwar für seinen Beitrag an der Erfindung der drahtlosen Telegraphie. Die drahtlose Telegraphie revolutionierte die Kommunikationstechnologie. Die Halbleiter, die Braun entdeckte, würden ein halbes Jahrhundert ebenfalls für revolutionäre Entwicklungen sorgen – in der Photovoltaik, in integrierten Schaltungen und eben in der Leuchtmitteltechnologie in Form der LED.
Die Entdeckung der Lichtemission durch Henry Joseph Round
Erst über 30 Jahre später, im Jahr 1907, wurde der in Vergessenheit geratene Halbleitereffekt wieder interessant. Der Engländer Henry Joseph Round entdeckte, dass anorganische Stoffe leuchten können, sobald man eine Spannung an sie anlegt. Er verfolgte dieses Phänomen allerdings nicht weiter, da er primär an einem neuen Funkortungsverfahren für die Seefahrt arbeitete. Der russische Wissenschaftler Oleg Wladimirowitsch Lossew nahm im Jahr 1921 das Thema des Round-Effekts wieder auf und forschte daran weiter. Sein Ziel war es, die leuchtenden Kristalle in irgendeiner Art und Weise in der Nachrichtenübermittlung einzusetzen.
Sieben Jahre vor seinem Tod erhielt Lossew Unterstützung bei seinen Forschungen aus Frankreich. Georges Destriau wird die Entdeckung der Elektrolumineszenz zugeschrieben. Im Jahr 1935 entdeckte er durch einen Zufall eine Lichtentwicklung beim Anlegen starker elektrischer Felder. Eigentlich wollte er die Leitfähigkeit von Metalllegierungen messen. Durch eine Verunreinigung des von ihm verwendeten Zinksulfids mit Kupfer kam es zu diesem Leuchten, welches er dann nach dem russischen Pionier Lossew-Licht nannte. Destriau entwickelte die Technologie weiter und brachte die erste Elektrolumineszenzfolie zur Marktreife. Man verwendete sie vor allem zur Hintergrundbeleuchtung von Cockpits, vor allem in Militärflugzeugen. Später wurden die Flüssigkristall-Displays auch außerhalb des Militärs eingesetzt. Auch wenn dies noch nicht wirklich LED-Technologie ist, so ist es doch die erste praktische Anwendung von Leuchteffekten durch anorganische Materialien, an die Spannung angelegt wird.
Die Entwicklung von der Kerze zum modernen LED LIcht
Die erste LED Leuchte auf dem Markt
Ehe die erste, damals noch rote LED Leuchte auf den Markt kam, vergingen noch einige Jahre der Forschung und Entwicklung in der Halbleitertechnik und im Bau von Transistoren. Die Entwicklung des Bipolartransistors auf Basis der Halbleitertechnik trieb die Forschung in der Lichtemission weiter voran. Man experimentierte alsbald nicht mehr mit Zinksulfid, wie noch Lossew und Destriau, sondern mit den Halbleitern Galliumphosphid (GaP) und Galliumarsenid (GaAs). Diese Stoffe erhöhten die Lichtemission um ein Vielfaches.
Den Grundstein für die Entwicklung moderner LEDs legte der Amerikaner Nick Holonyak. Im Jahre 1962 brachte er die erste rot leuchtende LED (light emitting diode oder lichtemittierende Diode) auf den Markt. Die Lumineszenzdiode bekam die Typbezeichnung GaAsP, weil sie eben mit den Halbleitern Galliumphosphid und Galliumarsenid arbeitete. Eine Diode war mit 280 Dollar ziemlich teuer, aber löste einen wahren Hype um das neue LED Licht aus. Im Jahr 1968 dann begann die industrielle Massenproduktion roter LED durch den Chemiekonzern Monsanto und General Electrics. Die Siebensegmentanzeige und die ersten roten LED lösten die Glimmlampen ab, fanden ihre Anwendung auf Armbanduhren mit kreischend rot leuchtendem Ziffernblatt (unglaublich teuer, energiefressend, aber todschick) und Taschenrechnern. Aber an eine Verwendung als Lichtquelle, so wie wir die LED heute kennen, war damals noch lange nicht zu denken. Die Lichtausbeute lag bei 0,1 Lumen pro Watt, ein Hundertstel der Leistung einer Glühbirne.
LED Licht – vom roten zum weißen Licht
Im Laufe der Jahre erlaubten verbesserte Halbleitermaterialien auch LED Licht in anderen Farben als das zugegeben etwas langweilige Rot. Außerdem wurde die Lichtausbeute immer weiter erhöht. Dies wurde durch die immer besser werdende Qualität der Halbleiterschichten, zum Beispiel durch weniger Verunreinigungen, durch transparente Substrate oder auch den Einsatz von Halbleiterheterostrukturen (der Übergang zwischen den Halbleiterschichten wurde verbessert) möglich. Doch es fehlte noch immer das weiße Licht für die Nutzung der Lichtquelle zur Beleuchtung von Räumen, Plätzen und Objekten in dem Maße, dass die neue Technologie die Glühbirne oder die in den 1970er Jahren aufkommenden Natriumdampflampen zu ersetzen.
Auf dem Weg vom roten bis zum weißen LED-Licht musste eine Lösung gefunden werden, die den kurzwelligen Bereich der Strahlung abdecken konnte. Blaues, violettes und ultraviolettes Licht konnte mit den vorhanden Halbleitern wie Galliumphosphid oder Alluminiumgalliumarsenid nicht erzeugt werden. Ein erster Durchbruch wurde mit Siliziumkarbid erreicht, mit dessen Hilfe in den 1980er Jahren die erste blau leuchtende LED auf den Markt gebracht wurde. Doch war sie nicht besonders effizient. Mit einem Wirkungsgrad von rund 22 Prozent war sie mit der Natriumdampfleuchte zu vergleichen. Weitere Experimente brachten dann Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid als Halbleiter in die LED-Technologie. Mit den Elementen der GaN-Gruppe war es nun möglich, effizientes kurzwelliges Licht von grün bis ultraviolett zu erzeugen.
Weißes LED Licht durch Mischung
Die Japaner waren es im Jahr 1995, die als erstes weißes LED Licht erzeugten. Im Chemie- und Halbleiterkonzern Nichia erreichte man weißes LED Licht durch Zugabe von gelbem Leuchtstoff zu blauem LED Licht. Diese Möglichkeit der Erzeugung von weißem Licht ist die Lichtkonversion. 1997 konnte man die ersten weißen LED im Handel kaufen. Wenn Sie ein iPhone besitzen, dann können Sie ziemlich sicher sein, dass es mit LED aus dem Hause Nichia ausgestattet ist. Weißes Licht kann und wird aber noch durch ein anderes Verfahren erzeugt, welches Ihnen sicherlich bekannt vorkommen wird und auf das viele Mitbewerber auf dem LED-Markt setzen – die Lichtmischung.
Weißes Licht gibt es in der Natur so nicht. Mischt man alle Farben zu gleichen Anteilen miteinander, dann sehen wir einfach nur unbunt, aber noch nicht weiß. Weißes Licht entsteht durch die Mischung der Farben Rot, Grün und Blau. Sie kennen dieses RGB-Prinzip sicherlich noch von den alten Röhrenfernsehern, bei denen sie das erste Mal angewendet wurde. Auch in der Digitalfotografie bedient man sich des RGB-Farbraums. Durch die GaN-Grupp und die Möglichkeit, nun auch blaues LED Licht zu erzeugen, konnte man das Prinzip auch auf die emittierenden Leuchtmittel anwenden. Drei farbige LED in einem Gehäuse mit einem Diffusor davor, lässt weißes Licht entstehen.
LED Licht in der Zukunft
Mit dem weißen LED Licht und der exorbitanten Erhöhung der Effizienz um mehr als drei Zehnerpotenzen im Vergleich zur ersten Lumineszenzdiode war der Durchbruch für das fortschrittliche Beleuchtungsmittel geschafft. Wir finden LED in nahezu allen Bereichen unseres Lebens. Ampeln, Taschenlampen, Smartphones, Autoscheinwerfer – wir können uns sehr viele Anwendungen gar nicht mehr ohne LED Licht vorstellen. Aber es gibt LED Anwendungen auch abseits des sichtbaren Lichts. In der Medizintechnik werden Kunststofffüllungen für die Zähne mit UV-Licht gehärtet. Die Sauerstoffsättigung im Blut misst der Mediziner mittlerweile mittels infraroter LED.
In Zukunft wird die Herausforderung darin bestehen, das warmweiße LED Licht zu optimieren. Im Vergleich zu blauem oder kaltweißem LED hat diese noch erhebliche Leistungseinbußen. Gute Lichtausbeute und eine homogene Farbverteilung sind also Stichworte für die Zukunft.
LED Licht – Funktionsweise
Zum Schluss wollen wir noch ganz kurz die Funktionsweise der LED anreißen. Eine emittierende Diode ist folgendermaßen aufgebaut. Sie hat zwei Drähte, die Kathode und die Anode, die in ein Kunststoffgehäuse führen. Darin sitzt der eigentliche LED-Chip. In dem winzigen Halbleiter-Element sitzt die faszinierende Technik der LED. Halbleiter haben, wie wir gelernt haben, die besondere Eigenschaft, Strom nur in eine Richtung zu leiten. Leuchtdioden nun bestehen aus zwei Schichten dieser Halbleitermaterialien. Eine davon hat einen Überschuss an Elektronen. Sie ist also negativ geladen. Darüber befindet sich die positiv geladene Schicht, die Elektronenlöcher hat. Man nennt sie auch p-Schicht. Legt man nun Strom an, dann wandern die Elektronen aus der negativ geladenen Schicht (n-Schicht) ab und wollen die Löcher der p-Schicht füllen. Bei diesem Prozess wird Licht und Wärme frei. Die sehr dünne positiv geladene Schicht wird von den Lichtblitzen durchdrungen und leuchtet.
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